示波器存儲深度應(yīng)用

在致遠(yuǎn)電子示波器微信用戶交流群中，我看到這樣一些信息，有位用戶的一個項目中需要用到多結(jié)點高速串行通信總線，使用CPLD作為收發(fā)控制器，總線設(shè)計速度為5Mbps，由于碼率較高，所以他想測試下該總線信號的穩(wěn)定性。手頭剛好有一臺ZDS2022示波器，因為之前已經(jīng)了解到ZDS2022示波器存儲深度高達(dá)112Mpts，所以想用它來試一試。為了測試信號的穩(wěn)定性，特意把一幀數(shù)據(jù)調(diào)得很大，5Mbps，傳輸3秒鐘。將時基設(shè)置為500ms，想把所有波形都記錄下來慢慢分析。

　　他將存儲深度設(shè)為自動后，在同一信號源下、不同時基下對采集的波形放大觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波形不一樣，這是怎么回事呢？

　　采樣率與奈奎斯特采樣原理

　　事實上，該問題的實質(zhì)是涉及到了示波器的采樣率問題，“采樣”顧名思義，就是采集樣本點，是在連續(xù)的模擬信號中采集離散的數(shù)字信號的樣本點。通過測量相等時間間隔的電壓波形幅值，并將此電壓轉(zhuǎn)化成用八位二進(jìn)制表示的數(shù)字信息。采樣電壓之間的時間間隔越小，重建出來的波形就越接近原始波形。

　　圖1 等間隔的采樣

　　圖2 示波器采樣剖析示意圖

　　在進(jìn)行采樣時，一定要遵守奈奎斯特采樣原理，才能避免波形失真。奈奎斯特采樣原理認(rèn)為：對于具有最大頻率fmax的信號而言，等距采樣頻率fs必須比最大頻率fmax大兩倍，這樣才能重建唯一的信號而不產(chǎn)生波形混疊的現(xiàn)象。

　　圖3 fs與fmax的幾種比例示意圖

　　由于奈奎斯特原理的前提是基于無限長時間和連續(xù)的信號，但是沒有示波器可以提供無限時間的記錄長度（示波器能夠提供的最大點數(shù)，直接受存儲深度的影響）；所以采用最高頻率成分兩倍的采樣速率通常是不夠的，實際應(yīng)用中通常為5倍甚至更高。為了確保測量的準(zhǔn)確性，通常要求示波器保持較高的采樣率。

　　采樣率與存儲深度

　　在示波器測量波形時，有個重要的公式：存儲深度=總捕獲時間X采樣率。其中捕獲時間是有采樣窗格決定的，當(dāng)設(shè)定一個水平時基檔位后，總捕獲時間就是確定的，那么如果我想要更高的一個采樣率，就必須保證有足夠大的存儲深度。正是考慮到這點，ZDS2022示波器為您在【Horiz】按鍵中，提供了可手動設(shè)置的最大到112Mpts的存儲深度。您可以根據(jù)自己的需要，選擇合適的存儲深度。ZDS2022示波器的儲存深度中有一個選項是自動，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置為自動，當(dāng)您選擇自動儲存深度后，會出現(xiàn)一個自動最大值的選項，自動最大值默認(rèn)設(shè)為1.4Mpts。

　　自動存儲深度與自動最大值

　　現(xiàn)在先跟大家分享下這個自動存儲深度和自動最大值，到底是怎么回事？

　　將儲存深度設(shè)為自動時，當(dāng)前示波器的儲存深度就是當(dāng)前屏幕上的波形數(shù)據(jù)，若當(dāng)前屏幕上的波形數(shù)據(jù)大于自動最大值，則在屏幕右下方的存儲深度就保持為自動最大值不變，否則，一旦存儲深度不夠，就會犧牲采樣率。當(dāng)采樣率降低到不符合奈奎斯特采樣原理時，采集到的波形就會出現(xiàn)問題，就像這位用戶在群里跟我們交流的那樣。其實，他一開始并沒有進(jìn)行大存儲深度的設(shè)置，水平時基設(shè)為500ms/div時，由于存儲深度只設(shè)為1.4Mpts，所以采樣率降到了200KSa/s。

　　表1 存儲深度為1.4Mpts時，不同時基的波形對比表

　　設(shè)置好觸發(fā)條件后，按下【Single】鍵，放大波形至水平時基檔位為2ms/div，由于該波形是在采樣率為200KSa/s的情況下采集的，而被測總線設(shè)計速度為5Mbps，不滿足奈奎斯特采樣原理，所以會看到一段一段的波形。實際上，在低采樣率下，如果時基很小，由于每幀數(shù)據(jù)量很少，“斷開”位置的波形就會看不到，整體看上去就好像是“斷開”的波形。而實際的總線波形并不是這樣斷開的。

　　于是該用戶在我們的微信示波器用戶交流群中及時提出疑惑，在研發(fā)同事的耐心解答后，在【Horiz】鍵中將儲存深度設(shè)為56Mpts，嘗試著將水平時基檔位設(shè)為200ms/div，此時采樣率為20MSa/s，為總線速度的4倍，顯示波形放大到水平時基檔位為500ns/div，波形并沒有失真。

　　表2 存儲深度為56Mpts時，不同時基的波形對比表

　　實際上，該種情況下我們是可以將存儲深度設(shè)為112Mpts的，存儲深度越大，在相同的捕獲時間下，采樣率就會越大，采樣率一旦很大，則屏幕上重構(gòu)的波形就越準(zhǔn)確。